حذف انتخابیZn2+ از محلول‌های آبی با MIPهای پشتیبانی‌شده بر Fe₃O₄@SiO₂: مطالعات تعادل، هم‌دما و سینتیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه پژوهشی شیمی و فرآیند، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

2 گروه شیمی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

چکیده
موضوع تحقیق: در این پژوهش، در گام نخست نانوذرات Fe₃O₄ با بهره‌گیری از روش هم‌رسوبی کنترل‌شده سنتز شد. سپس با استفاده از روش اشتوبر و حضور تترااتیل‌ارتوسیلیکات (TEOS) به‌عنوان منبع سیلیکا، پوششی یکنواخت بر سطح نانوذرات اکسیدآهن ایجاد و بدین‌ترتیب، نانوذرات هسته–پوسته Fe₃O₄@SiO₂ با ساختاری پایدار و منظم تهیه شد. پس از آن، سطح نانوذرات حاصل با پلیمر نقش‌گذاری مولکولی (MIP) عامل‌دار شد تا جاذبی هدفمند و انتخاب‌پذیر برای حذف یون‌های روی (Zn²⁺) از محلول‌های آبی حاصل شود. غلظت یون‌های باقی‌مانده در محلول با استفاده از دستگاه پلاسمای جفت‌شده القایی (ICP) تعیین شد.
روش تحقیق: به‌منظور بررسی دقیق ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و ساختاری نانوجاذب سنتزی، آزمون‌های مختلفی شامل میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (FE-SEM)، توزیع اندازه ذرات (DLS)، مغناطیس‌سنج نمونه ارتعاشی (VSM)، آزمون گرماوزنی (TGA)، پراش انرژی پرتو ایکس (EDX)، پراش پرتو ایکس (XRD) و طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FT-IR) مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج اصلی: نتایج این آزمون‌ها بیانگر ساختار منسجم، اندازه یکنواخت ذرات، پایداری حرارتی مناسب و حضور موفق گروه‌های عاملی فعال بر سطح نانوذرات است. عملکرد جذب نانوجاذب در حذف یون‌های Zn²⁺ با بررسی تأثیر عوامل مختلفی از جمله مقدار جاذب، زمان تماس، pH محلول و غلظت اولیه یون فلزی مورد ارزیابی قرار گرفت. براساس نتایج بهینه‌ شده، در شرایط مقدار جاذب 16 میلی‌گرم، 7=pH، غلظت اولیه mmol/L 0.45، حجم محلول 50 میلی‌لیتر و زمان تماس 21 دقیقه، میزان حذف یون‌های روی به 96% رسید که نشان‌دهنده کارایی بالای جاذب است (mg/g107.55). مطالعات هم‌دمایی نشان داد که فرایند جذب از مدل لانگمویر پیروی می‌کند و ماهیت آن تک‌لایه‌ای است. همچنین، بررسی سینتیکی فرایند جذب نشان داد داده‌های تجربی با مدل شبه ‌مرتبه دوم انطباق بالایی دارند که این موضوع بیانگر غالب‌بودن سازوکار جذب شیمیایی در مرحله تعیین‌کننده سرعت واکنش است. علاوه بر این، نانوجاذب سنتزی قابلیت جداسازی مغناطیسی آسان و استفاده مجدد در چندین چرخه متوالی جذب–واجذب را بدون کاهش محسوس در عملکرد جذبی حفظ می‌کند. بدین‌ترتیب، جاذب طراحی‌شده به‌عنوان سامانه‌ای پایدار، کارآمد و دوستدار محیط‌زیست، گزینه‌ای امیدبخش برای تصفیه مؤثر پساب‌های صنعتی حاوی یون‌های فلزات سنگین به‌شمار می‌رود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Selective Zn²⁺ removal from aqueous solutions using Fe₃O₄@SiO₂-supported MIPs: Studies on equilibrium, isotherms and kinetics

نویسندگان English

Mohsen Esmaeilpour 1
Nima Behine 2
Sahar Baniyaghoob 2
Amir Hossein Haghighaty 2
1 Chemical and Process Engineering Department, Niroo Research Institute, Tehran, Iran
2 Department of Chemistry SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده English

Research subject: In this study, Fe₃O₄ nanoparticles were first synthesized through a controlled co-precipitation method. Subsequently, a uniform silica coating was formed on the surface of iron oxide nanoparticles via the Stöber process using tetraethyl orthosilicate (TEOS) as the silica precursor, resulting in core–shell Fe₃O₄@SiO₂ nanoparticles with a stable and well-organized structure. The obtained nanoparticles were then functionalized with a molecularly imprinted polymer (MIP) to produce a targeted and selective adsorbent for the removal of zinc ions (Zn²⁺) from aqueous solutions. The concentration of Zn²⁺ ions was determined using Inductively Coupled Plasma (ICP) analysis.
Research approach: To comprehensively investigate the physical, chemical, and structural characteristics of the synthesized nanoadsorbent, various analytical techniques were employed, including transmission electron microscopy (TEM), field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), dynamic light scattering (DLS), vibrating sample magnetometry (VSM), thermogravimetric analysis (TGA), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR).
Main results: The characterization results confirmed the formation of a coherent structure with uniform particle size distribution, good thermal stability and successful incorporation of active functional groups on the nanoparticle surface. The adsorption performance of the nanoadsorbent for Zn²⁺ ions was evaluated by studying the effects of various operational parameters, including adsorbent dosage, contact time, pH and initial metal ion concentration. Optimized results revealed that under the conditions of an adsorbent dosage of 16 mg, pH=7, an initial concentration of 0.45 mmol L⁻¹, a solution volume of 50 mL, and a contact time of 21 min, the removal efficiency of Zn²⁺ ions reached 96%, indicating the high performance of the adsorbent (107.55 mg/g). Also, isotherm studies demonstrated that the adsorption process followed the Langmuir model, suggesting a monolayer adsorption mechanism. Furthermore, kinetic analysis showed that the experimental data fitted the pseudo-second-order model, confirming that chemisorption was the dominant rate-controlling mechanism. In addition, the synthesized nanoadsorbent exhibited excellent magnetic separability, allowing for easy recovery from the aqueous solution. It also demonstrated high reusability over multiple adsorption-desorption cycles without significant loss in its adsorption performance. Therefore, the designed adsorbent can be considered a stable, efficient, and environmentally friendly system, offering a promising approach for the effective treatment of industrial wastewater containing heavy metal ions.

کلیدواژه‌ها English

Fe₃O₄@SiO₂ Nanostructure
Molecularly Imprinted Polymer
Surface Adsorption
Zinc ions
Magnetic Separation

  • تاریخ دریافت 23 اردیبهشت 1405
  • تاریخ بازنگری 02 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 22 تیر 1405
  • تاریخ اولین انتشار 30 تیر 1405
  • تاریخ انتشار 01 مرداد 1405